張夢琳，王嘉琛，劉音華，張慧君，李孝輝,3

一種應(yīng)用于無線時間同步系統(tǒng)的捕獲算法

張夢琳1,2，王嘉琛1,2，劉音華1,3，張慧君1,3，李孝輝1,2,3

（1. 中國科學(xué)院 國家授時中心，西安 710600；2. 中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049;3. 中國科學(xué)院 時間頻率基準(zhǔn)重點實驗室，西安 710600）

無線收發(fā)模塊是集成在高精度雙向無線時間同步系統(tǒng)中的關(guān)鍵單元，它具有發(fā)射無線時間同步信號、接收信號并捕獲的功能。傳統(tǒng)的導(dǎo)航信號，數(shù)據(jù)碼首先與偽碼異或相加而實現(xiàn)擴頻，然后兩者的組合碼通過調(diào)制依附在載波上。該設(shè)計方式長相干積分受數(shù)據(jù)位跳變的影響，從而降低捕獲和跟蹤的靈敏度，同時增加了計算量，不適用于高靈敏度的無線收發(fā)模塊。在無線雙向時間同步系統(tǒng)收發(fā)模塊中提出一種導(dǎo)頻和數(shù)據(jù)通道相結(jié)合的方法，在接收通道對無線時間同步信號進行相關(guān)運算，實現(xiàn)導(dǎo)頻和數(shù)據(jù)雙通道組合捕獲。其中導(dǎo)頻通道專門用于擴頻碼信號的跟蹤、捕獲，并提供精確的偽距觀測量，而數(shù)據(jù)通道接收導(dǎo)航電文。同時，論文分析比較了傳統(tǒng)的相干積分捕獲、半比特捕獲以及導(dǎo)頻與數(shù)據(jù)雙道組合捕獲算法的性能。其結(jié)果表明：采用導(dǎo)頻和數(shù)據(jù)通道分別進行相關(guān)，在避開比特跳變的基礎(chǔ)上最大程度地提高了相干積分時間，提高了無線接收機捕獲的靈敏度。

無線時間同步系統(tǒng)；數(shù)據(jù)通道；導(dǎo)頻通道；相關(guān)；捕獲

0　引言

時間同步技術(shù)的應(yīng)用涉及許多國計民生的重要領(lǐng)域。例如，通信領(lǐng)域需要各基站之間的時間同步，否則將會出現(xiàn)通話中斷等故障；電力系統(tǒng)的站點間及站點內(nèi)部都需要高精度的時鐘同步，以實現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)部的運行管理、監(jiān)視控制及故障分析等；銀行系統(tǒng)的子網(wǎng)之間及子網(wǎng)內(nèi)部也需要時間同步以便實現(xiàn)業(yè)務(wù)的統(tǒng)一結(jié)算和管理。目前，較高精度的時間同步手段包括衛(wèi)星共視法、單向授時法、雙向衛(wèi)星時間傳遞法等。單向授時法的時間同步精度較低，約為20 ns左右[1]。衛(wèi)星共視法時間同步精度在5 ns左右[2]。但是，共視比對雙方要在同一時刻觀測同一顆衛(wèi)星，因此受地理環(huán)境及條件的限制，尤其是在室內(nèi)的條件下。雙向衛(wèi)星時間比對方法的時間同步精度優(yōu)于1ns。但是，這種方法的成本昂貴，需要占用衛(wèi)星資源以及專門的通信設(shè)備，運行成本高，受可視條件的影響。

目前偽碼測距技術(shù)已經(jīng)逐漸成為一種被廣泛采用的測距與時間同步方法之一，偽碼測距技術(shù)具有很強的抗干擾性，測距精度比較高。本文針對無線雙向時間同步系統(tǒng)，采用一種基于偽碼測距的雙向時間同步方法。雙向時間同步方法的優(yōu)點如下：① 不使用通信衛(wèi)星鏈路進行信息的交互；② 同步精度較高，用戶之間基于雙向偽距測量機制，利用路徑的對稱性消除兩測距終端之間的大部分公共誤差；③ 成本低，不需要投入大量的資金和儀器設(shè)備；④ 使用方便靈活，能應(yīng)用在共視或者雙向衛(wèi)星時間比對系統(tǒng)所達不到的室內(nèi)場所，如同一幢大型室內(nèi)場所的兩個時鐘之間的同步。這種方法可以從2個站的時間同步擴展到多站間的時間同步，可以使地面分布范圍較廣的多數(shù)用戶之間達到時間同步。

接收端信號的捕獲是無線雙向時間同步系統(tǒng)中的關(guān)鍵部分。捕獲是信號處理的第一步。由于跟蹤環(huán)有限的跟蹤鎖定范圍，要求在啟動跟蹤環(huán)時，接收到的信號與本地復(fù)現(xiàn)的偽隨機碼和載波信號必須符合到一定程度，否則就會導(dǎo)致信號無法跟蹤。捕獲完成對信號偽隨機碼和載波多普勒頻移的粗略估計，然后利用捕獲得到的粗略估計值進行初始化跟蹤。捕獲的成功與否直接影響后續(xù)跟蹤的運行，影響接收機能否正常工作，同時捕獲性能的好壞對整個接收機性能的評價起著至關(guān)重要的作用。

本文研究了傳統(tǒng)的相干積分捕獲、半比特捕獲以及導(dǎo)頻與數(shù)據(jù)雙道組合捕獲算法，并進行了分析比較。結(jié)果表明：采用導(dǎo)頻和數(shù)據(jù)通道分別進行相關(guān)，在避開比特跳變的基礎(chǔ)上最大程度地提高了相干積分時間，提高了無線接收機捕獲的靈敏度。

1　無線雙向時間同步原理

以兩個地面站時間同步為例說明無線雙向時間系統(tǒng)原理，原理如圖1所示，兩地面站同時對偽距信號進行發(fā)射和接收。無線雙向時間同步系統(tǒng)采用CDMA的碼分多址方式來區(qū)別不同的同步站，在發(fā)射端PRN碼對要傳送的數(shù)據(jù)信息進行擴頻，經(jīng)BPSK調(diào)制后由射頻天線發(fā)送出去[3]。接收端需要進行捕獲、跟蹤、解調(diào)、解擴等，然后獲取傳送的數(shù)據(jù)信息，并得到偽距。從站接收主站的測距信號，調(diào)制解調(diào)后與本地時間信號相比較獲得主站至從站的信號傳輸時延。在主站發(fā)射偽距信號的同時，從站以同樣方式發(fā)射信號并被主站接收。通過兩個地面站之間數(shù)據(jù)交換，得到兩地鐘差及傳輸時延，對從站時鐘進行調(diào)整完成時間同步。

圖1 無線雙向時間同步原理

完成無線收發(fā)模塊需要滿足有效的無線作用距離大于300 m的條件下可以成功捕獲到數(shù)據(jù)并且靈敏度較高。傳統(tǒng)的發(fā)射信號中，數(shù)據(jù)碼首先與偽碼異或相加而實現(xiàn)擴頻，然后兩者的組合碼通過調(diào)制依附在載波上，但是這種設(shè)計不利于無線時間同步系統(tǒng)對時間高精度要求的信號處理，信號由于受導(dǎo)航電文信息調(diào)制，所以會隨電文信息的變化而出現(xiàn)未知的比特翻轉(zhuǎn)，當(dāng)用戶接收機對信號相關(guān)值進行長時間累積運算時，由于比特翻轉(zhuǎn)的影響，信號的相干累積時間受到一定的限制，無法滿足無線時間同步系統(tǒng)中用戶對靈敏度的要求，另一方面也會導(dǎo)致后續(xù)跟蹤精度降低[4]。

針對接收機捕獲過程中出現(xiàn)的比特跳變的問題，國內(nèi)外提出了半比特算法。以GPS信號為例分析半比特算法原理，該算法將相干積分時間設(shè)置成10 ms，由于在GPS信號中相鄰的兩組10 ms數(shù)據(jù)中最多只有一組存在數(shù)據(jù)比特位翻轉(zhuǎn)，因此將接收信號每10 ms劃分為一段信息塊，并分成奇數(shù)和偶數(shù)塊進行累加，比較奇偶塊的積分累加值大小，將其中較大值與捕獲門限相比較后判決是否捕獲[5-6]。雖然半比特法可以有效避開導(dǎo)航數(shù)據(jù)位翻轉(zhuǎn)的影響，但是相干積分時間只有10 ms，不利于提高捕獲的靈敏度。

在研究發(fā)射信號時發(fā)現(xiàn)：導(dǎo)頻信號不存在數(shù)據(jù)位比特翻轉(zhuǎn)，它不僅能夠延長相干累加時間，提高接收機的捕獲靈敏度，這一特性同時可以用于數(shù)據(jù)信號的比特同步，尤其是在高動態(tài)條件下這一特性顯得尤為重要[7]。因此，結(jié)合無線雙向時間同步發(fā)射信號的結(jié)構(gòu)，在接收機中采用導(dǎo)頻通道與數(shù)據(jù)通道結(jié)合的方法對發(fā)射信號進行相關(guān)處理，提高接收機捕獲跟蹤能力。由于導(dǎo)頻信號沒有調(diào)制導(dǎo)航電文數(shù)據(jù)，因而不存在比特跳變，可以進行比較長時間的相干累加，接收機對信號的檢測方式更加靈活，對信號的檢測更加靈敏[8-9]。本文通過對比單通道衛(wèi)星數(shù)據(jù)相關(guān)運算和雙通道導(dǎo)頻和數(shù)據(jù)信號分別進行相關(guān)運算說明導(dǎo)頻通道可以在避免比特跳變的情況下，提高捕獲的靈敏度。

2　捕獲原理及算法研究

接收機的主要功能是接收發(fā)射信號，并對接收到的信號進行一系列處理后得到時間同步所需的測量值，最終實現(xiàn)雙向時間同步功能。其中完成對信號的捕獲是接收機的關(guān)鍵。

無線時間系統(tǒng)的捕獲首先是對信號進行搜索，接收機將接收到的射頻信號下變頻為中頻信號，然后對其進行內(nèi)插抽取后送到捕獲模塊。由于接收信號的多普勒頻移和碼相位是未知的，因此捕獲模塊將會對全部多普勒頻移和偽碼相位進行搜索，然后將本地復(fù)現(xiàn)的載波和偽碼與接收信號進行相關(guān)運算，從而得到相關(guān)值的判決量[10-12]。找到所有搜索單元相關(guān)值最大峰值，經(jīng)過捕獲判決和虛警概率檢測，判定是否捕獲到了正確的多普勒頻移和碼相位。因此信號的捕獲實質(zhì)上是對信號的載波和碼相位的二維搜索過程。

2.1　基于FFT的捕獲算法結(jié)構(gòu)

由于時域內(nèi)進行的線性搜索相關(guān)運算的計算量大，為了縮短捕獲需要的時間，通常轉(zhuǎn)換為在頻域內(nèi)相乘，并且采用并行碼相位捕獲算法。

圖2　 基于FFT變換捕獲算法原理結(jié)構(gòu)圖

2.2　半比特捕獲算法

由于導(dǎo)航數(shù)據(jù)位每20 ms就可能出現(xiàn)一次翻轉(zhuǎn)，所以翻轉(zhuǎn)必然出現(xiàn)在上面兩組累積結(jié)果的一組當(dāng)中。因此含有數(shù)據(jù)位跳變的組，其非相干累加比較小，取：

雖然半比特算法可以有效地避開數(shù)據(jù)位的跳變，但是捕獲過程中對20 ms的數(shù)據(jù)進行處理，有效的相干積分時間只有10 ms，可利用相干積分時間較短，捕獲效率比較低，不利于提高捕獲的靈敏度。

2.3　導(dǎo)頻輔助下的捕獲算法

為了避開數(shù)據(jù)位跳變的影響，本文采用了不經(jīng)過數(shù)據(jù)碼調(diào)制載波的方法。利用導(dǎo)頻和數(shù)據(jù)雙支路進行捕獲。

忽略接收機內(nèi)附加的滯后延時，同時為討論方便，在加性高斯噪聲環(huán)境下，接收機接收到的信號經(jīng)過射頻前端的處理采樣后，變?yōu)閿?shù)字中頻信號[17-18]，信號公式為

本地載波發(fā)生器產(chǎn)生的兩路信號，分別表示為：

由于乘法器后有一個積分器，可以看成是一個低通濾波器，所以可以將式（8）和（9）中的高頻成分忽略，簡化后如下：

式（10）和（11）均只表示混合器輸出的信號分量，噪聲分量單獨列出[24]，表示如下：

3　數(shù)據(jù)處理及分析

為了驗證使用導(dǎo)頻通道可以提高捕獲靈敏度，在Matlab環(huán)境下對其進行仿真。仿真產(chǎn)生的中頻為2 MHz的數(shù)字信號，采樣頻率為5 MHz。數(shù)據(jù)通道偽碼速率為1.023 MHz，偽碼周期為1 ms，電文速率為50 b/s，導(dǎo)頻通道上不調(diào)制電文信息。

圖4中受信號比特跳變的影響，傳統(tǒng)相干積分捕獲算法不能正確捕獲信號；而使用導(dǎo)頻與數(shù)據(jù)雙通道捕獲算法不受數(shù)據(jù)跳變的影響，捕獲結(jié)果出現(xiàn)明顯峰值，說明可以正確捕獲信號。

圖4 第1組實驗結(jié)果

第2組同樣在載噪比CN0 = 28 dB-Hz下，選取信號長度為20 ms，相干積分時間為20 ms，比較半比特捕獲算法和雙通道捕獲算法結(jié)果。仿真結(jié)果對比如圖5所示。

圖5 第2組實驗結(jié)果

由圖5可知，受信號比特跳變的影響，相比較導(dǎo)頻與數(shù)據(jù)雙通道捕獲算法，半比特算法相關(guān)處理結(jié)果雖然可以捕獲到信號，但是峰值不夠突出，相關(guān)峰檢測量為863.14，而使用導(dǎo)頻和數(shù)據(jù)雙通道進行相關(guān)處理不受信號數(shù)據(jù)跳變的影響，峰值仍舊明顯，相關(guān)峰檢測量為1155.4，可以正確捕獲信號。

第3組仿真在載噪比CN0 = 25dB-Hz下，采用和第2組相同的數(shù)據(jù)進行處理，比較半比特捕獲算法和導(dǎo)頻與數(shù)據(jù)雙通道捕獲算法結(jié)果，仿真對比結(jié)果如圖6所示。

圖6 第3組實驗結(jié)果

對于載噪比為25 dB-Hz的擴頻碼信號，半比特捕獲算法已經(jīng)不能檢測峰值，而導(dǎo)頻與數(shù)據(jù)雙通道捕獲算法處理雖然噪聲有所增加，但是峰值依舊突出，能夠?qū)π盘栒Ｌ幚?。通過以上仿真結(jié)果可以得出，導(dǎo)航與數(shù)據(jù)雙通道捕獲算法相比較傳統(tǒng)的相干積分算法和半比特算法可以提高捕獲靈敏度。

4　結(jié)論

本文分析了傳統(tǒng)的相關(guān)積分捕獲存在的數(shù)據(jù)比特位跳變的問題以及半比特捕獲算法的優(yōu)缺點，提出了采用導(dǎo)頻與數(shù)據(jù)雙通道捕獲算法，在避開比特跳變的基礎(chǔ)上更大限度的延長相干積分時間。通過3組仿真對比，實驗結(jié)果表明了提出的導(dǎo)頻與數(shù)據(jù)雙通道捕獲算法可以避開傳統(tǒng)相干積分捕獲算法比特位跳變的缺點。延長相干積分時間長至20 ms，從而具有比半比特捕獲算法更高的捕獲靈敏度。實驗證明該捕獲算法能夠應(yīng)用于無線時間同步系統(tǒng)的接收機中。

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An acquisition algorithm applied to the wireless time synchronization system

ZHANG Meng-lin1,2, WANG Jia-chen1,2, LIU Yin-hua1,3, ZHANG Hui-jun1,3, LI Xiao-hui1,2,3

(1. National Time Service Center, Chinese Academy of Sciences, Xi’an 710600, China;2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China;3. Key Laboratory of Time and Frequency Primary Standards, Chinese Academy of Sciences, Xi’an 710600, China)

The wireless transceiver module is a key unit integrated in a high-precision two-way wireless time synchronization system. It has the function of transmitting wireless time synchronization signals, receiving signals and acquisition. For the conventional navigation signals, the data code is XORed with the pseudo code firstly to achieve spreading, then the combined code of the two is attached to the carrier by modulation. This design method not only affects the coherent integration data due to data bit hopping, but also sacrifices the sensitivity of the acquisition and tracking, and increases the amount of calculation, which is not suitable for the high sensitivity wireless transceiver module. This study proposed a method for combining pilot and data channels in a two-way wireless time synchronization system transceiver module, and performs correlation operations on the wireless time synchronization signal in the receiving channel to realize combined acquisition of pilot and data. The pilot channel is dedicated to tracking and acquisition the spread spectrum code signal and provides accurate pseudorange observation, while the data channel receives the navigation message. The study also analyzed and compared the performance of the traditional coherent integration acquisition, half-bit acquisition and pilot-data dual-channel acquisition algorithms. The results show that while used pilot and data channels for the correlation separately, the coherent integration time is maximized on the basis of avoiding bit hopping, which improves the sensitivity of wireless receiver acquisition and optimizes the code tracking performance.

wireless transceiver module; data channel; pilot channel; correlation; capture

10.13875/j.issn.1674-0637.2020-01-0009-09

2019-05-16；

2019-06-18

中國科學(xué)院“西部之光”人才培養(yǎng)計劃西部學(xué)者資助項目（XAB2016A05）

張夢琳，女，碩士，主要從事無線時間同步收發(fā)器處理研究。